昭和62年8月5日第三種郵便物許可

令和5年8月25日発行（隔月25日発行）

第41巻第４号

MATERIAL TECHNOLOGY
材料技術

July-August2023
Vol. 41, No. 4
ISSN 0289-7709
CODEN: MTECFQ

材料技術研究協会
Japan Research Institute ofMaterial Technology
https://www.jrimt.jp

MATERIALTECHNOLOGY
材料技術

VOL. 41, NO. 4
JULY-AUGUSTCONTENTS＜ARTICLES＞
SYNERGISTIC EFFECT OF PHOTOCATALYST AND
POLYTETRAFLUOROETHYLENE ON ANTIBACTERIAL PROPERTY

Kentaro YAMAUCHI, Hiroyuki SAITO

抗菌性に及ぼす光触媒と PTFE の相乗効果
山内賢太郎，齋藤博之·········································································25<EDITORIAL NOTE>
編集後記···························································································30

抗菌性に及ぼす光触媒と PTFE の相乗効果
山内賢太郎 1)，齋藤博之 1)
1)

東京電機大学大学院 先端科学技術研究科（〒120-8551 東京都足立区千住旭町 5 番）

Synergistic effect of photocatalyst and polytetrafluoroethylene
on antibacterial property
Kentaro Yamauchi 1,* and Hiroyuki Saito1Abstract

The development of high-quality antibacterial materials is crucial for effectively combating the spread of
infectious diseases. Polytetrafluoroethylene (PTFE) itself lacks antibacterial properties. However,incorporating PTFE into photocatalyst particle-dispersed antibacterial materials has been reported toenhance their antibacterial effectiveness. Despite this knowledge, the precise mechanism underlying thisenhancement remains unclear. Therefore, in this study, we sought to test the hypothesis that the additionof PTFE to the photocatalyst particle-dispersed antibacterial material reduces the surface free energy ofthe matrix, consequently boosting the movement speed of Escherichia coli (E. coli). This enhanced
movement facilitates increased contact between E. coli and photocatalyst particles, ultimately augmenting
the antibacterial effect. We assumed that E. coli movement follows a random walk pattern, and wecompared our findings with previously documented experimental results. The results revealed that theincorporation of PTFE to the photocatalyst particle-dispersed material increases the migration speed of E.
coli on this material, increasing it from 0.43 μm/s to 0.52 μm/s. From these results, the enhancement
mechanism of the antibacterial properties by adding PTFE to photocatalyst particle-dispersed antibacterialmaterials has been clarified.

Keywords：PTFE, Photocatalyst, Antibacterial, Low surface free energy, Random walk
Received June 1, 2023; accepted June 29, 2023
1) Graduate School of Advanced Science and Technology, Tokyo Denki University

5 Senju-Asahi-cho, Adachi-ku, Tokyo 120-8551, Japan* Corresponding author: Kentaro Yamauchi, E-mail: 20udm03@ms.dendai.ac.jp

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１ 緒言
感染症の広がりに対しすぐれた抗菌材料は必須なものである．光触媒を担持した抗菌材料
はメインテナンス不要な抗菌材料であるが光触媒が菌のみならず担持するバインダを分解させるという欠点があった 1)．光触媒の添加量を増加させずに抗菌性能を促進できればこの欠点を回避できる．
山内らは同量の光触媒添加量であってもPTFE を添加すれば大腸菌等に対する抗菌性が向上することを見出した 2-4)．PTFE は抗菌機能がないにもかかわらず N-doped TiO2 等の可視光応答型光触媒を含む抗菌材料に添加した場合には抗菌性能が向上する．しかしこの場合の抗菌メカニズムは不明であった．
本研究では PTFE が表面に存在すれば大腸菌は 21.5 mN/m5)という低い表面自由エネルギーを有する PTFE 表面上をランダムウォークによって光触媒粒子の位置に到達し，そこで光触媒反応によって分解されるというメカニズムを提案する．

N = πDn2・N2 = 1.53πN2・V 2・t(2)1 個の大腸菌がこれらの光触媒粒子のひとつと出会う確率は(3)式で表される．
1/N = 1/(1.53πN2・V 2・t)

(3)

nE 個の大腸菌がこれらの光触媒粒子と出会う確率は(4)式で表される．
nE/N = nE /(1.53πN2・V 2・t)(4)

nE の値が N の値と一致する場合，すなわち大腸菌が光触媒粒子と出会い光触媒粒子により殺菌される大腸菌の数は，(4)式より
nE＝1.53πN2・V 2・t(5)となる．
nE は V 2 の大きさに依存する．低表面自由エ
ネルギー上では V の大きさが大きく抗菌性が２ 理論
大腸菌は水中で 10 から 35 μm/s の速度で遊泳（スイミング）し 6)，1 から 2 s で 1 回方向を変える 7)．大腸菌を含む微生物は水中に浮遊（スイミング）するよりは沈降し固体表面に沈む 8)．
大腸菌は水中ではべん毛を船のスクリュープロペラのように回転して遊泳する．固体表面ではスウォーミング（べん毛などによる固体表面での移動）やトゥイッティング（線毛などによる固体表面での移動）によってゆっくり移動する 6)．
水中で沈降し固体表面に達した大腸菌が速度 V で移動し平均 1.5 秒で 1 回方向を変えるとする．この動きはランダムウォークであり，n 回後の大腸菌の平均移動距離 Dn は(1)式で表される 9)．
𝐷𝑛 = 1.5𝑉√1.5𝑡(1)
抗菌材料上の光触媒粒子の面密度を N2 とす
れば t 秒後に 1 個の大腸菌が出会う可能性のある光触媒粒子数 N は以下で表される．
26

向上することが考えられる．
本研究では従来報告された大腸菌に対する光触媒 N-doped TiO2 粒子分散抗菌材料の抗菌性についての実験結果 2,10)に上記理論を適用した結果について報告する。

３ 従来の実験結果
3.1 試料
Table 1 に示す組成の３試料が作製された．
PTFE とフッ素系バインダ(polyvinylidenfluoride,PVDF)を含むが光触媒 N-doped TiO2 を含まない
Control 試料，PTFE とフッ素系バインダ(PVDF)と光触媒 N-doped TiO2 をすべて含む PTFE-NT
Table 1. Components of the test pieces for theantibacterial test (vol. %)Component

PTFE

PVDF

SampleN-dopedTiO2

Control80

200PTFE-NT

73.4

22.24.4

NT095.24.8

４ 従来の実験結果への抗菌理論の適用
光照射前の大腸菌数 2.2×105 個から Table 2 にて得られる可視光照射後の各試料上の残存大腸菌数を引けば各時間照射後の死滅大腸菌数が求まり結果は Table 3 に示される．ただしこの過程で光の照度の変化を照射時間の変化に置き換えた。光触媒反応は光子の数しか反応しない 12)ため，たとえば 1000 lx で 24 時間の照射は 2000 lx で 12 時間の照射と置き換え Table 3を得た．Table 3 のデータは Fig.1 に図示される．
この図から明らかなように PTFE と光触媒ともに含む PTFE-NT 試料では照射後 3.6 時間で当初存在した 2.2x105 個の大腸菌がすべて殺菌された．

試料，フッ素系バインダ(PVDF)と光触媒 Ndoped TiO2 を含むが PTFE を含まない NT 試料が作製された 2)．

3.2 抗菌性評価
大腸菌に対する抗菌性評価には JIS R 170211)が準拠された．2.2×106 個/ml の大腸菌を含む水溶液 0.1ml を 4cm×4cm の試料に接種し、可視光照射された。 抗菌性評価には以下に定義される抗菌活性値 R が用いられた．
R = [log(B/A)－log(C/A)] = log(B/C)(6)

ただし A：無加工試験片の接種直後の生菌数の平均値（個）Table 3. Numbers of sterilized E. coli before and after
visible light irradiation with 2000 lx (x 105)

B：無加工試験片の 24 時間後の生菌数の平均値（個）Time

C：抗菌加工試験片の 24 時間後の生0h

3.6 h

12 h

24 h02.2 *)2.2 *)

2.2Sample

菌数の平均値（個）PTFE-NT01.5 *)1.9 *)
2.0*) Calculated from original data taking account thephoton numbersNT

抗菌活性値 2.0 以上(99%以上の殺菌率)で抗菌効果があると定義されている．
各試料に可視光を 24 時間照射した場合の抗菌PTFE と光触媒ともに含む PTFE-NT 試料では大活性値は Table 2 に示される．

腸菌が殺菌される速度が速いことが認められる．
Table 2. Antibacterial activity values of eachsample after irradiation of visible light for 24hours10)

すれば PTFE-NT 試料では 17 /s であるのに対しNT 試料では 12 /s であった．

Antibacterial activity values0 lx

Sample300

10002000

本研究で導出した殺菌される大腸菌の数 nElxlxlxについての式(5)を，従来得られた結果を基に算出した Table 3，Fig.1 に適用する．

Control

0000

PTFE-NT02.4

4.5

5.5

NT00.81.72.2

Table 2 より光触媒 N-doped TiO2 を含まない
Control 試料では照度の大小にかかわらず抗菌活性値は 0 で抗菌効果は認められなかった 10)．

The number of sterilizedE. colix 105

Illuminance

特に可視光照射後 3.6 時間までの殺菌速度を比較

2.521.5
10.500

光触媒 N-doped TiO2 を含む PTFE-NT 試料, NT246810

Time (s) x 104

試料では抗菌効果が認められた．特に PTFE と■：PTFE-NT：NT●

光触媒 N-doped TiO2 を含む PTFE-NT 試料におFig 1. Relation between the number of the sterilized
E. coli and visible light irradiation time.

いては抗菌効果の促進が認められた 10)．

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同様に NT 試料の場合の t の傾きの値 12/s より NT 試料上の大腸菌の速度として V = 0.43

光触媒 N-doped TiO2 の面密度 N2 は以下で表される 13)．

μm/s が得られる．
Fig.2 に示されるように PTFE-NT 試料の方が2N2 = 3f/(2πrm )NT 試料よりも早く殺菌され抗菌性能がすぐれ(7)ている．これは NT 試料に PTFE を加えること
ここで f は光触媒粒子の体積分率，rm は光触媒により試料上での大腸菌の移動速度 V が増し粒子の半径を示す．

光触媒粒子と遭遇する機会が増加するので抗菌性が促進すると考えられる．
大腸菌の移動速度 V が増したのは被着体のTable 1 より f = 0.044，また rm = 6.0×10 nm であるので 14)，N2 は以下となる．

表面自由エネルギーが低下すれば有機物の密着力が低下することによるものと考えられる．

N2 = 6.1 (個/μm2)

15)

(8)

表面自由エネルギーが 40.2 mN/m の PVDF マ(5), (8)式より，光触媒反応によって殺菌される

トリックス 5) に表面自由エネルギーが 21.5

大腸菌の数 nE は(9)式で表される．

mN/m の PTFE5)を加えることにより Table 1 に示す組成比からマトリックスの表面自由エネ

nE ＝ 6.4・1013・V 2・t

ルギーが 24.8 mN/m へと低下する．これが大腸(9)菌の密着力低下をもたらし大腸菌移動速度のに対しては直線的に増加するが大腸菌の移動増加につながったと考えられる．
PTFE-NT 試料と NT 試料の大腸菌の移動速度速度 V に対しては放物線的に増加する．

V = 0.52 μm/s と V = 0.43 μm/s の値は，水中のとなる． (9)式を Fig. 2 に図示する．nE は時間 t

Fig. 1 のデータから得られた PTFE-NT 試料

遊泳移動速度 10～35 μm/s6)より小さく，固体表の場合の t の傾きの値 17/s を(9)式の t の係数と面でのスウォーミングによる移動速度 3μm/s や等しいととすればトゥイッティングによる移動速度 0.03～0.15μm6)と同程度である．これは大腸菌が水中を遊6.4・1013・V 2 = 17

泳するのではなく沈降し固体試料上で移動すとなり PTFE-NT 試料上の大腸菌の速度としてることに対応する。大腸菌は固体試料上を移動

V = 0.52 μm/s が得られる．

し光触媒粒子と遭遇すると考えられる．

５ 結言
光触媒を担持した抗菌材料はメインテナン
ス不要な抗菌材料であるが光触媒が菌のみならず担持するバインダを分解させるという欠点があった 1)．PTFE には光触媒による抗菌効果を促進しこの欠点を改善したが，そのメカニズムは不明であった．
本研究では PTFE の添加によりマトリックスの表面自由エネルギーが低下しランダムウォークによる大腸菌の移動速度が増すというモデルを提案し以下の結論を得た．

Fig 2. The number of sterilized E. coli plottedagainst time t and velocity V of E. coli. Whitelines show dependency of sterilized E. coli
number on irradiation time for PTFE-NT sample
and NT sample respectively.

（１） 光触媒粒子が分散している抗菌材料上28参考文献の移動速度 V の２乗に比例し，時間 t に1) 橋本和仁, 藤島昭, “酸化チタン光触媒の比例して増大するとの理論式を導出しすべて”, 1998, シーエムシー, 288.
た．
2) K. Yamauchi, Y. Yao, T. Ochiai, M. Sakai, Y.
（２） 従来報告された PTFE-NT と NT の大腸
Kubota, G. Yamauchi, J. Nanotechnology,
菌に対する抗菌性データに本研究で得2011, Article ID 380979, 7.
られた理論式を適用した．その結果，
3) Y. Yao, K. Yamauchi, G. Yamauchi, T. Ochiai,
PTFE と光触媒を含む PTFE-NT 試料上
T. Murakami, Y. Kubota, J. Biomaterials andの大腸菌の移動速度は 0.52 μm/s である
Nanobiotechnology, 2012, 3, 421-430.のに対し，PTFE を含まないが光触媒を
4) K. Yamauchi, T. Ochiai, G. Yamauchi, J.
含む NT 試料上の大腸菌の移動速度はBiomaterials and Nanobiotechnology, 2015, 6,=0.43 μm/s であった．
1-7.
（３） NT 試料に対し抗菌性促進効果の認め
5) 北崎寧昭，畑敏雄，日本接着協会誌，1972，
られた PTFE-NT 試料上の大腸菌の移動
8, 131-142.
速度 V が大きかったことは，V が増せ
6) 奥正太，生物工学会誌，2016, 94，81.
ば大腸菌の死滅数 nE が増大するという
7) 林博司，化学と生物，1980,18, 138-143.
上記（１）の理論式の妥当性を示してい
8) 大澤敏，谷田育宏，成田武文，高分子論文
る．
集，2010,67,104-109.
（４） 上記（２）の試料上の大腸菌移動速度
9) 米沢富美子，“ブラウン運動”，1986, 共立
0.52 μm/s，0.43 μm/s の値は大腸菌の水出版，16.
中での移動速度 10～35 μm/s より小さ
10) 山内五郎，山内賢太郎，姚燕燕，石黒斉，く, 固体表面上のスウォーミング速度
中野竜一，会報 光触媒，2010,33, 1003 μm/s やトゥイッティングによる移動
101.
速度 0.03～0.15 μm/s と同程度であった． 11) JIS R 1702
これは大腸菌が水中を遊泳するのでは
12) 橋本和仁, 藤島昭, “酸化チタン光触媒のなく沈降し固体試料上で移動し光触媒
すべ て”, 1998,シーエムシー, 33.
粒子と遭遇することと対応する．
13) G. Yamauchi, Trans. JSCM, 1977, 3, 45-52.
（５） 光触媒を含む NT 試料に PTFE を添加
14) 酒谷能彰，奥迫顕仙，須安祐子，村田誠，
した PTFE-NT 試料において大腸菌の移井上勝喜，沖泰行：“高活性可視光応答型光動速度 V が増したのはマトリックスの触媒の開発”，住友化学，2009,１，14-23.
表面自由エネルギーが低下し大腸菌の
15) K. Yamauchi, Y. Shiotani, H. Saito, Procedia
密着力が低下したことと関連がある．
Structural Integrity, 2023, 45, 125.
で大腸菌が殺菌される数 nE は，大腸菌

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